混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性.ppt

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,1,早強(qiáng)、無(wú)收縮、微膨脹,2,1930年以前 早期的波特蘭水泥通過(guò)人配料，嚴(yán)格控制化學(xué)成分和燒結(jié)溫度，Wanger細(xì)度為1100cm2/g左右。1944年，美國(guó)公共道路管理局對(duì)加州等4個(gè)州的橋梁進(jìn)行了檢測(cè)，涉及檢測(cè)的共約200座橋梁的實(shí)際使用時(shí)間跨度為330年。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，67%在1930年以前建造的橋梁檢查時(shí)完好，而1930年后建造的僅27%尚完好。,3,19301970年左右 水泥的粉磨技術(shù)在用戶需求高早期強(qiáng)度的環(huán)境下迅速發(fā)展，水泥的Wanger細(xì)度為1100cm2/g上升為1800cm2/g（相當(dāng)于勃氏300m2/kg）。出于同樣的目的，水泥的化學(xué)組成也被迅速改變，水泥熟料中的早強(qiáng)組份C3S含量由1930年前的不到30%很快發(fā)展到1970年的50%甚至更多。1950年開(kāi)始，混凝土的施工工藝發(fā)生了重大變化。預(yù)拌混凝土、泵送混凝土澆筑以及插入式振動(dòng)棒振搗技術(shù)的發(fā)展，對(duì)混凝土的工作性要求越來(lái)越高。,4,1970年以后 外加劑技術(shù)促進(jìn)了加筋混凝土技術(shù)發(fā)展對(duì)強(qiáng)度的要求，混凝土強(qiáng)度從之前普遍的30MPa猛增到60MPa，并越來(lái)越多的使用50MPa以上的混凝土。提高混凝土強(qiáng)度的辦法除采用高標(biāo)號(hào)水泥外（意味著更高的細(xì)度、更多的C3S和C3A含量），更多的是增加單方水泥用量，降低水灰比及單方加水量。隨后的觀察發(fā)現(xiàn)，這樣的技術(shù)措施帶來(lái)的負(fù)面影響是混凝土結(jié)構(gòu)物的開(kāi)裂增加。強(qiáng)度的提高雖然使混凝土的徐變減小，但脆性和早期可見(jiàn)裂縫與其它異常開(kāi)裂現(xiàn)象使結(jié)構(gòu)物在腐蝕和銹蝕環(huán)境下的可預(yù)期壽命顯著降低。,5,二十世紀(jì)八十年代 高強(qiáng)混凝土（High Strength Concrete，簡(jiǎn)稱HSC）曾經(jīng)是混凝土技術(shù)中比較熱門的技術(shù)領(lǐng)域，混凝土的抗壓強(qiáng)度一度達(dá)到100MPa以上，并有高達(dá)152MPa混凝土用于現(xiàn)澆工程。但是二十世紀(jì)九十年代初期，HSC工作性差（流動(dòng)性、可泵性、均勻性等）、脆性（易于開(kāi)裂和突然破壞）、體積穩(wěn)定性差（收縮、膨脹）等一味追求強(qiáng)度所帶來(lái)的負(fù)面問(wèn)題逐漸被認(rèn)識(shí)。于是，提出了HPC的概念。,6,1、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）于1990年5月召開(kāi)的討論會(huì)上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制的，便于澆搗，不離析，力學(xué)性能穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高，具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。,7,2、1990年美國(guó)Mehta PK認(rèn)為：高性能混凝土不僅要求高強(qiáng)度，還應(yīng)具有高耐久性（抵抗化學(xué)腐蝕）等其他重要性能，例如高體積穩(wěn)定性（高彈性模量、低干縮率、低徐變和低的溫度應(yīng)變）、高抗?jié)B性和高工作性。 3、1992年法國(guó)Malier YA認(rèn)為：高性能混凝土的特點(diǎn)在于有良好的工作性、高的強(qiáng)度和早期強(qiáng)度、工程經(jīng)濟(jì)性、高耐久性，特別適用于橋梁、港工、核反應(yīng)堆以及高速公路等重要的混凝土建筑結(jié)構(gòu)。,8,4、1992年日本的小澤一雅和岡村甫認(rèn)為：高性能混凝土應(yīng)具有高工作性（高的流動(dòng)性、黏聚性與可澆筑性）、低溫升、低干縮率、高抗?jié)B性和足夠的強(qiáng)度。 5、1992年日本Sarkar S L提出：高性能混凝土具有較高的力學(xué)性能（如抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度）、高耐久性（如抗凍融循環(huán)、抗碳化和抗化學(xué)侵蝕）、高抗?jié)B性，屬于水膠比很低的混凝土家族。,9,綜上所述 1.高性能混凝土（High Performance Concrete，縮寫為HPC）是最近十多年才出現(xiàn)的新型高技術(shù)混凝土。它以混凝土耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，保證混凝土有良好的工作性、適用性、力學(xué)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。 2高性能混凝土不僅是對(duì)傳統(tǒng)混凝土的重大突破，而且在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)保護(hù)以及環(huán)境等高面都具有重要意義，是一種環(huán)保型、集約型的新型材料。,10,決定結(jié)構(gòu)的耐久性 環(huán)境影響結(jié)構(gòu)反應(yīng) 1）環(huán)境條件 2）建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3）施工 4）檢驗(yàn)和維修,11,12,13,物理,孔的性質(zhì)和分布,遷移機(jī)理,鋼筋劣化,混凝土劣化,銹蝕,抵抗力,安全,表面條件,外觀,剛度,使用性能,化學(xué)和生物,14,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素 1、設(shè)計(jì)因素：保護(hù)層厚度過(guò)小，沉降縫、伸縮縫設(shè)置不當(dāng)，變截面出配筋不當(dāng)，基礎(chǔ)強(qiáng)腐蝕，隔熱層、分隔層、防滑層處理不當(dāng)。 2、材料不合格：水泥堿含量、C3A含量、細(xì)度，骨料堿活性、骨料粒形、級(jí)配，外加劑。 3、施工質(zhì)量低劣：水灰比過(guò)大，水泥用量大，拆模過(guò)早，澆筑不當(dāng)，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，施工組織不當(dāng)（冷縫），使用含氯早強(qiáng)劑，使用海水?dāng)嚢杌炷恋取?4、外界環(huán)境條件惡化： 氣候條件異常:氣候突變，干濕交替頻繁； 自然環(huán)境惡化：工業(yè)排污、空氣質(zhì)量下降； 建筑物場(chǎng)地有害物侵入：地基土有侵蝕水，碳酸鹽及堿溶液侵入等。,15,劣化的內(nèi)在條件和機(jī)理 1. 氣體、水以及含在水氣中的有害物質(zhì)在砼的孔隙和裂縫中的遷移、結(jié)合和變化是砼劣化的基本條件, 其中水氣的遷移是首要條件。 2. 水氣遷移的動(dòng)力有: 濃度差引起擴(kuò)散; 壓力差引起滲透; 表面能引起毛細(xì)吸引。,16,無(wú)粘結(jié),接觸粘結(jié),水泥漿填滿縫隙 (混凝土， 低坍落度),間隔排列的顆粒 (混凝土， 高坍落度),1,1824年，英國(guó)人Aspdin J取得了波特蘭水泥的專利。 1886年，美國(guó)首先采用回轉(zhuǎn)窯煅燒熟料，使水泥進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)階段。 1850年，法國(guó)人取得鋼筋混凝土專利權(quán)。 1928年，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)由法國(guó)人創(chuàng)造。,17,r(m) 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10,微孔,毛細(xì)孔,大孔,mm,nm,m,與耐久性有關(guān),振搗不密實(shí),引入氣孔,毛細(xì)孔,凝膠孔,18,毛細(xì)孔,補(bǔ)給,蒸發(fā),毛細(xì)凝結(jié)（水充滿） 表面積/孔體積,水遷移的速度 蒸發(fā) 毛細(xì)管作用 （水壓力）,20,混凝土,鋼 筋,化學(xué)過(guò)程,物理過(guò)程,酸、硫酸鹽、堿,生物過(guò)程,開(kāi)裂、凍害、磨蝕,地衣、苔蘚等,銹蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆,21,1、混凝土的碳化 影響因素：H2O、CO2(完全飽和，完全干燥) CO2擴(kuò)散進(jìn)入孔隙 與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3 同時(shí)也在CSH（水化硅酸鈣）固液界面上發(fā)生 混凝土內(nèi)堿度由pH12.6降低pH9 鋼筋脫鈍,22,23,材料因素：水灰比、水泥品種與用量、骨料品種與粒徑（骨料底部、交界面）、 外加劑（降低用水量、引氣劑切斷毛細(xì)管的通道，降低CO2的擴(kuò)散速度）、 養(yǎng)護(hù)方法和齡期、混凝土強(qiáng)度 環(huán)境條件：濕度、溫度和CO2濃度 應(yīng)力狀態(tài)：壓應(yīng)力、拉應(yīng)力,24,碳化檢測(cè)方法：X射線法（試驗(yàn)室精確測(cè)量，能測(cè)試部分碳化深度） 化學(xué)試劑法（1%酚酞酒精溶液） 已碳化區(qū)無(wú)色，未碳化區(qū)紅色 碳化深度的預(yù)測(cè)模型 碳化對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響 素混凝土：基本無(wú)影響 鋼筋混凝土：鋼筋銹蝕 預(yù)應(yīng)力混凝土：目前方案下基本無(wú)影響,25,2、鋼筋銹蝕 腐蝕誘因混凝土中性化、游離氯離子聚集 電化學(xué)腐蝕陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng) 應(yīng)力腐蝕腐蝕與拉應(yīng)力作用下鋼筋產(chǎn)生晶粒間或跨晶粒斷裂現(xiàn)象 氫脆腐蝕由于H2S與鐵作用或雜散電流陰極腐蝕產(chǎn)生氫原子或氫氣的腐蝕現(xiàn)象,26,影響因素： H2O、O2、溫度、氯離子濃度、pH值、裂縫 鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響 對(duì)配筋混凝土影響巨大，強(qiáng)度降低、脆性增大、延性變差，導(dǎo)致承載力降低 鋼筋銹蝕的檢測(cè)方法：自然電位法（應(yīng)用廣泛）、交流阻抗譜法、線性極化法、恒電位法、電化學(xué)噪聲法、混凝土電阻法、諧波法 自然電位法測(cè)試（受影響因素多，比較粗糙） 單電極法：鋼筋端頭外露或建造時(shí)的預(yù)埋電極 雙電極法：鋼筋不外露的構(gòu)件,27,28,裂縫類型,物理的,化學(xué)的,溫度的,結(jié)構(gòu)的,建筑的位移,早期凍結(jié)破壞,塑性的,可收縮骨料、干縮、龜裂,鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、碳化,凍融、季節(jié)溫度、早期熱收縮,偶然荷載、徐變、設(shè)計(jì)荷載,模板位移、地基位移,塑性收縮、塑性層縮,硬化后,硬化前,3、混凝土裂縫,29,塑性收縮 毛細(xì)管張力引起 龜裂 塑性沉縮 顆粒下沉、水?dāng)D壓排出、體積縮小 受鋼筋和模板阻礙部位出現(xiàn)裂縫，水平縫較多,30,荷載引起的開(kāi)裂 彎曲 剪切 拉伸 變形引起的開(kāi)裂 溫度 ，通常為龜裂，受約束時(shí)表現(xiàn)為分割裂縫 收縮 ，通常表現(xiàn)為龜裂，局部可逆 基礎(chǔ)或模板沉降,31,4、堿骨料反應(yīng) 混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生的膨脹性反應(yīng) 后果：混凝土體積膨脹和開(kāi)裂，混凝土微結(jié)構(gòu)被改變，強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能降低癌癥 三種類型： 堿硅酸反應(yīng)（Alkali-Silica Reaction ） 堿碳酸鹽反應(yīng)（Alkali-Carbonate Reaction ） 堿硅酸鹽反應(yīng)（Alkali-Silicate Reaction ）,32,堿硅酸反應(yīng) 骨料中的活性SiO2與堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)。是迄今為止分布最廣、研究最多的堿骨料反應(yīng)。 活性SiO2包括蛋白石、玉髓、鱗石英、方石英和隱晶、微晶或玻璃質(zhì)石英。 在火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖中均有分布 常見(jiàn)在花崗巖、流紋巖、安山巖、珍珠巖、石英巖、燧石、硅藻土等 膨脹機(jī)制： 2ROH+nSiO2-R2OnSiO2H2O 吸水腫脹理論和滲透壓理論,33,堿碳酸鹽反應(yīng) 黏土質(zhì)白云石質(zhì)石灰石與堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)。美國(guó)在1957年首次在加拿大發(fā)現(xiàn)，美國(guó)的多個(gè)地方存在。 白云石與石灰石含量大致相等，黏土含量約為520，白云石顆粒粒徑約在50微米以下且被微晶方解石和黏土包圍。 CaCO3MgCO3+2ROH-Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3 (白云石) R2CO3+Ca(OH)2-2ROH+CaCO3 膨脹來(lái)源：包裹在白云石晶體內(nèi)的黏土吸水膨脹,34,堿硅酸鹽反應(yīng) 堿與某些沉狀硅酸鹽骨料反應(yīng)，使沉狀硅酸鹽層間距增大，骨料發(fā)生膨脹，造成混凝土膨脹、開(kāi)裂。 因發(fā)生反應(yīng)機(jī)理與堿硅酸反應(yīng)不同，而被新命名。 唐明述觀點(diǎn)：大部分（頁(yè)臘石、蛇紋石、云母、高嶺石、蛭石等）具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物都不具有堿活性，個(gè)別能產(chǎn)生膨脹反應(yīng)的層狀硅酸鹽中均含有微晶石英和玉髓，其膨脹反應(yīng)實(shí)質(zhì)是堿硅酸反應(yīng),35,堿骨料發(fā)生的條件 （1）混凝土中的堿含量。 水泥、外加劑、摻合料、骨料、拌合水或環(huán)境 （2）骨料的堿活性 與地域有關(guān)：美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本、新西蘭、南非等已建立了區(qū)域性的堿活性骨料分布圖。 我國(guó)建立了京津塘地區(qū)堿活性骨料分布圖。 （3）潮濕環(huán)境 高濕度環(huán)境，80,36,關(guān)于堿含量的規(guī)定： 一般認(rèn)為：高活性骨料2.1kg/m3 中等活性骨料3.0kg/m3 德國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本規(guī)定堿含量限制為： 3.0kg/m3 新西蘭：2.5kg/m3 南非：2.1kg/m3,37,堿骨料反應(yīng)的破壞特征： 時(shí)間:一般在混凝土澆筑后2、3年或者更長(zhǎng)時(shí)間。 變形：整體位移或變形 裂縫：網(wǎng)狀，順筋或沿壓應(yīng)力方向 凝膠析出：透明或淡黃色凝膠（AAR） 部位：越潮濕越明顯 內(nèi)部：骨料周圍有反應(yīng)環(huán)，內(nèi)部縫隙界面有凝膠,38,骨料的堿活性檢測(cè)方法： （1）巖相法：鑒定巖石種類、礦物組成和各組分含量 缺點(diǎn)：不能對(duì)骨料堿活性做定量分析，必須與其他方法配合使用。 （2）化學(xué)法：通過(guò)測(cè)試溶出的SiO2濃度Sc和溶液堿度的降低值Rc進(jìn)行判斷。Rc70，ScRc （3）砂漿棒法：(P3m0.05%,P6m0.1%) （4）快速砂漿棒法：(P14d0.1%) （5）混凝土棱柱體法： (P3m0.02%,P6m0.03%或P12m0.04%) （6）壓蒸法： (P6h0.1%),39,4、凍融破壞 飽水凍融循環(huán) 特征：凍脹開(kāi)裂和表面剝蝕 靜水壓假說(shuō) 滲透壓假說(shuō),40,靜水壓假說(shuō) 毛細(xì)孔水結(jié)冰，約12，有害孔。 凝膠孔水結(jié)冰，低于78。,氣泡間距系數(shù),41,滲透壓假說(shuō) 大孔中的部分溶液先結(jié)冰后，未凍溶液中鹽的濃度上升，與周圍較小孔隙中的溶液之間形成濃度差。濃度差使小孔中的溶液向大孔遷移。 兩個(gè)重要參數(shù) 平均氣泡間距：直線導(dǎo)線法250微米？300微米？ 臨界水飽和度：,42,抗凍試驗(yàn)方法 （1）快速凍融法 水凍水融法、氣凍水融法耐久性指數(shù) （2）慢凍法 （3）臨界膨脹試驗(yàn)法 （4）臨界水飽和度法,43,鹽凍更嚴(yán)重 （1）含鹽混凝土的初始飽水度提高 （2）鹽的濃度差使孔隙中的滲透壓加大 （3）由于鹽產(chǎn)生的過(guò)冷水處于不穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)冰速度更快，產(chǎn)生更大的靜水壓。 （4）含鹽混凝土在水分蒸發(fā)失水干燥時(shí)，孔中鹽過(guò)飽和而結(jié)晶，產(chǎn)生一個(gè)額外的結(jié)晶壓力。,44,5、磨蝕 磨損侵蝕：車輪、松散材料的沖擊夾砂的風(fēng) 主要由粗骨料承擔(dān)混凝土磨耗率 空穴侵蝕：液體水 空蝕水流靜水壓力小于水的蒸汽壓時(shí)，產(chǎn)生氣泡，流到靜水壓力大于蒸汽壓時(shí)，蒸汽在氣泡中冷凝，氣泡崩坍（類似于爆炸）。 主要由細(xì)質(zhì)砂漿承擔(dān)砂漿磨耗率,45,6、腐蝕 侵蝕介質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)酸、硫酸鹽和生物。 腐蝕速度取決于鈣鹽的溶解速度。 酸侵蝕：酸在混凝土中的作用就是使所有的鈣化合物，如氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水花鋁酸鈣轉(zhuǎn)變成侵蝕酸的鈣鹽。 有機(jī)酸：鹽酸氯